EP1273015B1 - METHOD FOR INSULATING A HIGH-Tc-SUPERCONDUCTOR AND THE USE OF SAID METHOD - Google Patents

Abstract

Sheathing of a high-temperature superconductor, comprises extruding a melt tube of molten thermoplastic insulation as the conductor leaves a guide channel from a nozzle. The nozzle outlet surrounds the conductor with spacing. As the conductor advances, the tube is extended and drawn down onto its surface. Cooling then sets the plastic. The thermoplastic is processed at 200-500[deg]C.

Description

Gegenstand der DE-Patentanmeldung P 198 38 133.6 (Anmeldetag: 21.08.1998) ist ein Verfahren zur Herstellung einer allseitigen Umhüllung aus einem elektrischen Isolationsmaterial aus Kunststoff um mindestens einen bandförmigen Supraleiter mit Hoch-T_c-Supraleitermaterial. Gemäß diesem vorgeschlagenen Verfahren soll zu einem kontinuierlichen Umhüllungsprozess bei einer die Supraleitungseigenschaften des Leiters praktisch nicht beeinträchtigenden Verfahrenstemperatur

• der Leiter aus einem sich in einer Vortriebsrichtung erstreckenden Führungskanal austreten,
• ein Schmelzeschlauch aus einem geschmolzenen thermoplastischen Isolationsmaterial in der Vortriebsrichtung aus einer Düse extrudiert werden, deren Austrittsöffnung den Leiter unter allseitiger Beabstandung umgibt,
• mit dem Vortrieb des Leiters der Schmelzeschlauch gedehnt und auf die Leiteroberfläche gezogen werden
  sowie
• der so auf die Leiteroberfläche aufgebrachte Schmelzeschlauch durch Abkühlung verfestigt werden.

Dieses vorgeschlagene Verfahren soll insbesondere zum Umhüllen eines bandförmigen Supraleiters mit einem Aspektverhältnis von mindestens 3, vorzugsweise mindestens 10, verwendet werden.The subject of DE patent application P 198 38 133.6 (filing date: 21.08.1998) is a method for producing an all-round covering of an electrical insulation material made of plastic by at least one ribbon-shaped superconductor with high-T _c superconducting material. According to this proposed method is intended to a continuous wrapping process at a superconducting properties of the conductor practically not affecting process temperature

• the ladder exit from a guide channel extending in a forward drive direction,
• extruding a molten tube of molten thermoplastic insulation material in the advancing direction out of a nozzle whose outlet surrounds the conductor under all-round spacing,
• as the conductor advances, the melt tube is stretched and pulled onto the conductor surface
  such as
• the thus applied to the conductor surface melted tube are solidified by cooling.

This proposed method should in particular be used for wrapping a band-shaped superconductor with an aspect ratio of at least 3, preferably at least 10.

Die Erfindung bezieht sich auf ein entsprechendes Verfahren sowie auf nach dem Verfahren umhüllte Hoch-T_c-Supraleiter.The invention relates to a corresponding method and to the process enveloped high-T _c superconductor.

Technische Supraleiter müssen für eine Verwendbarkeit in elektrischen Einrichtungen wie Wicklungen von Maschinen, Transformatoren, Magneten oder Kabeln im Allgemeinen mit einer elektrischen Isolation versehen sein. Ein solches Erfordernis ist insbesondere auch bei Leitern mit oxidischem Hoch-T_c-Supraleitermaterial (HTS-Material) gegeben. Dabei sollen solche HTS-Leiter, die eine Drahtform (mit kreisförmigem Querschnitt) und insbesondere eine Bandform (mit rechteckigem Querschnitt) haben können, in einem einfach durchzuführenden Verfahren kontinuierlich mit einer isolierenden Umhüllung versehen werden können. Das Verfahren soll dabei sowohl für eine Einzelleiterisolation wie auch zur Isolation eines HTS-Leiteraufbaus in Form eines Mehrfach-Leiters, der aus supraleitenden Einzelleitern zusammengesetzt ist, oder eines Verbundleiters mit supraleitenden und normalleitenden Teilen geeignet sein.Technical superconductors must generally be provided with electrical insulation for use in electrical equipment such as windings of machinery, transformers, magnets or cables. Such Requirement is given in particular with conductors with oxide high-T _c superconducting material (HTS material). In this case, such HTS conductors, which have a wire form (with a circular cross-section) and in particular a band shape (with rectangular cross-section) can be provided in an easy to be carried out process continuously with an insulating sheath. The method should be suitable both for a single-conductor insulation as well as for the isolation of a HTS conductor structure in the form of a multi-conductor, which is composed of superconducting individual conductors, or a composite conductor with superconducting and normal conducting parts.

Bisher sind keine in technischem Maßstab realisierten Verfahren bekanntgeworden, mit denen in einem kontinuierlichen Durchlauf ein Supraleiter oder -Leiteraufbau mit HTS-Material allseitig mit einer isolierenden Umhüllung zu versehen ist. Dies ist unter anderem darauf zurückzuführen, daß die zur Zeit verfolgten HTS-Leiterkonzepte eine Bandform mit einem im Hinblick auf in der Supraleitungstechnik praktizierte Isolationsverfahren ungünstig hohen Aspektverhältnis (= Verhältnis von Leiterbreite zu Leiterdicke) vorsehen. Solche Leiter sind nämlich mit den bekannten Verfahren nur schwer gleichmäßig und mit geringer Dicke eines Isolationsmaterials zu beschichten. Bei einem aus der EP 0 292 126 B1 zu entnehmenden HTS-Leiter ist deshalb die Umhüllung verhältnismäßig dick ausgeführt.So far, no methods realized on an industrial scale have become known, with which in a continuous pass a superconductor or conductor structure with HTS material is provided on all sides with an insulating sheath. This is due, among other things, to the fact that the HTS conductor concepts currently being pursued provide a band shape with an unfavorably high aspect ratio (= ratio of conductor width to conductor thickness) with regard to insulation methods practiced in superconducting technology. Such conductors are difficult to coat evenly and with a small thickness of an insulating material with the known methods. In the case of an HTS conductor to be taken from EP 0 292 126 B1, therefore, the covering is made relatively thick.

Klassische Lackierverfahren scheiden bisher für HTS-Leiter deshalb aus, weil sie zu einer Stromdegradation des Leiters führen können, die die Folge von den für diese Verfahren erforderlichen hohen Verfahrenstemperaturen und von überkritischen Biegebeanspruchungen ist, welche bei einem periodischen Führen des Leiters durch Tauchbäder mit einem vielfachen Umlenken über entsprechende Umlenkrollen auftreten.Conventional painting processes are now ruled out for HTS conductors because they can lead to a current degradation of the conductor, which is the result of the high process temperatures required for these processes and of supercritical bending stresses, which in a periodic guiding of the conductor by immersion baths with a multiple Divert over corresponding pulleys occur.

Um eine Anwendung bekannter bandförmiger HTS-Bandleiter z.B. im Magnetwicklungsbau zu ermöglichen, wurden bisher separate Isolationsfolien, z.B. aus einem speziellen aromatischen Polyamid, das unter dem Handelsnamen "Kapton" bekannt ist und eine Dicke von beispielsweise 50 µm hat, zusammen mit dem Bandleiter gewickelt. Somit muß zur Herstellung von Wicklungen neben einer Abwickelvorrichtung für den Leiter zusätzlich eine entsprechende Vorrichtung für die Isolationsfolie vorgesehen werden, um eine Isolation zwischen den einzelnen Lagen bzw. Windungen einer Wicklung zu erstellen. Dabei kann die Schwierigkeit auftreten, daß der Leiter nicht ganz durch die Isolationsfolie umhüllt wird. Außerdem ist jeweils nur eine Trennschicht zwischen den einzelnen Leiterlagen vorhanden, wobei die seitlichen Leiterkanten unisoliert bleiben. Um eine sichere Isolation auch in diesen Bereichen zu gewährleisten, ist entweder ein Verguß des Wickelpaketes mit Gießharz oder die Verwendung von so breiten Isolationsfolien nötig, daß durch einen seitlichen Überstand der Folie über die jeweiligen Leiterkanten hinaus ein Kurzschluß zwischen den Leitern verhindert wird. Der Justieraufwand, um ein paralleles Wickeln von Leiter und Isolationsfolie zu ermöglichen, ist jedoch verhältnismäßig hoch.In order to enable an application of known band-shaped HTS band conductor, for example in magnetic winding, so far separate insulating films, for example of a special aromatic polyamide, which is known under the trade name "Kapton" and has a thickness of for example 50 microns, together with the Band conductor wound. Thus, in order to produce windings in addition to an unwinding device for the conductor, a corresponding device for the insulating film must additionally be provided in order to create an insulation between the individual layers or windings of a winding. The difficulty may arise that the conductor is not completely enveloped by the insulation film. In addition, only one separating layer between the individual conductor layers is present, with the lateral conductor edges remaining uninsulated. In order to ensure a secure insulation in these areas, either a casting of the winding package with casting resin or the use of insulation films so wide is necessary that a short-circuit between the conductors is prevented by a lateral projection of the film on the respective conductor edges addition. The Justieraufwand to allow parallel winding of conductor and insulation film, however, is relatively high.

Darüber hinaus ist aus der Isolationstechnik von Supraleitern mit sogenanntem klassischen Supraleitermaterial, die eine LHe-Kühltechnik erforderlich machen, bekannt, einen z.B. bandförmigen Supraleiter mit einer entsprechenden Kunststofffolie zu umwickeln (vgl. die DE 23 45 779 A oder die DE 38 23 938 C2). Auch diese Verfahren sind nur mit verhältnismäßig hohem Aufwand durchzuführen. Außerdem müssen die verwendeten Folien eine hinreichende Dicke haben, um mechanische Beschädigungen bei dem Umwicklungsprozeß auszuscheiden.Moreover, it is known from the isolation technique of superconductors with so-called classical superconducting material which requires an LHe cooling technique, e.g. To wrap tape-shaped superconductor with a corresponding plastic film (see DE 23 45 779 A or DE 38 23 938 C2). These methods can be carried out only with relatively high effort. In addition, the films used must have a sufficient thickness to eliminate mechanical damage in the wrapping process.

Weiterhin ist es als äußerst schwierig anzusehen, die sehr geringen Querschnitte aktueller HTS-Bandleiter mit ihrem typisch großen Aspektverhältnis mit Isolationsband bzw. Isolationsfäden zu umspinnen.Furthermore, it can be regarded as extremely difficult to wrap the very small cross sections of current HTS ribbon conductors with their typically large aspect ratio with insulation tape or insulating threads.

Bei dem Verfahren gemäß der nicht-vorveröffentlichten WO 00/11684,für das die eingangs genannten Verfahrensmerkmale vorgeschlagen sind, erfolgt das Aufbringen einer Umhüllung aus thermoplastischem Isolationsmaterial in Dünnschichtextrusionstechnik nach einem sogenannten Schlauch-Reckverfahren. Hierbei wird ein Schmelzeschlauch aus einer Düse extrudiert, der in seinen Dimensionen größer als der zu umhüllende Leiter ist, welcher durch einen zentralen Führungskanal in der Düsenmitte läuft. Dadurch entsteht ein Schlauch um den Leiter herum, der durch den Vortrieb des Leiters verstreckt, d.h. gedehnt wird, bis die endgültige, erwünschte Dicke (Stärke) der Umhüllungswand (Isolationsschicht) erreicht ist. Dieser Schlauch wird auf die Leiteroberfläche gezogen. Abhängig vom eingesetzten Isolationswerkstoff liegt dabei der sogenannte Reckgrad, d.h. die Verstreckung des Materials, im allgemeinen zwischen 5 und 15. Die Verstreckung kann vorteilhaft unter gleichzeitiger Einwirkung von Vakuum im Schlauchinneren erfolgen. Zusammen mit einer vorteilhaften Vorwärmung des Leiters vor dem Einlauf in den Führungskanal und/oder während des Hindurchziehens des Leiters durch diesen läßt sich so ein besonders guter und blasenfreier Haftsitz der Umhüllung auf dem Supraleiter erzeugen. Die dann erfolgende langsame Ablung z. B. an Luft bewirkt ein Einfrieren und eine spannungsfreie Verfestigung der Schmelze aus dem Isolationsmaterial auf dem Leiter.In the method according to the non-prepublished WO 00/11684, for which the method features mentioned are proposed, the application of a sheath made of thermoplastic insulation material in thin-film extrusion technique according to a so-called hose stretching method. Here, a molten tube is extruded from a nozzle which is larger in size than the conductor to be wrapped, which passes through a central guide channel in the nozzle center. This creates a tube around the conductor which is stretched, ie stretched, by the advance of the conductor until the final desired thickness (thickness) of the sheath wall (insulation layer) is reached. This hose is pulled onto the conductor surface. Depending on the insulating material used, the so-called degree of stretching, ie the stretching of the material, is generally between 5 and 15. The stretching can advantageously take place under the simultaneous action of vacuum inside the tube. Together with an advantageous preheating of the conductor before the inlet into the guide channel and / or during the pulling of the conductor through this can thus produce a particularly good and bubble-free adhesive fit of the envelope on the superconductor. The then taking place slow Ablung z. B. in air causes freezing and stress-free solidification of the melt from the insulating material on the conductor.

Mit diesem Verfahren lassen sich folglich verhältnismäßig dünne (von einer Mindestdicke von etwa 40 µm und/oder einer maximalen Dicke von 100 µm) und fehlerfreie Umhüllungsschichten auf Supraleitern mit an sich beliebiger Querschnittsform, insbesondere aber mit Bandform realisieren.With this method, consequently, relatively thin (of a minimum thickness of about 40 microns and / or a maximum thickness of 100 microns) and flawless cladding layers can be realized on superconductors with any cross-sectional shape, but in particular with band shape.

Es sind prinzipiell Beschichtungsanlagen bekannt, mittels derer isolierende Umhüllungen aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial (vgl. DE 26 38 763 A) durch Abstreifdüsen, in Druckummantelung oder im Schlauch-Reckverfahren (DE 24 09 655 A, 20 22 802 A, DE 21 10 934 A) auf Drähte aufzubringen sind. Die Drähte können dabei insbesondere aus Stahl (vgl. US 3 893 642), A1 (vgl. DE 24 09 655 A) oder Cu (vgl. US 4 489 130 oder die genannte DE 21 10 934 A) bestehen und haben im allgemeinen kreisförmige Querschnittsflächen.In principle, coating installations are known, by means of which insulating sheathings made of a thermoplastic material (see DE 26 38 763 A) by stripping nozzles, in pressure jacket or in the hose-stretching method (DE 24 09 655 A, 20 22 802 A, DE 21 10 934 A ) are to be applied to wires. The wires can in this case consist in particular of steel (compare US Pat. No. 3,893,642), A1 (cf DE 24 09 655 A) or Cu (cf US Pat. No. 4,489,130 or the cited DE 21 10 934 A) and are generally circular cross-sectional areas.

Das mit solchen Anlagen auszuführende Beschichtungsverfahren wird auch als Extrusionsbeschichtung bezeichnet.The coating process to be carried out with such equipment is also referred to as extrusion coating.

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird von der Erkenntnis ausgegangen, dass die vorerwähnten, an sich bekannten Verfahren zur Beschichtung von oxidischen HTS-Leitern geeignet sind, wobei sich die eingangs genannten, leiterspezifischen Schwierigkeiten vermeiden lassen. Dies ist insbesondere bei einer Bandform des Supraleiters von Bedeutung. Unter einer Bandform sei in diesem Zusammenhang jede beliebige Rechteckform mit eckigen oder abgerundeten Kanten verstanden. Vorzugsweise kann aber die Rechteckform ein verhältnismäßig großes Aspektverhältnis im Allgemeinen über 10 aufweisen, wie es insbesondere bei bekannten dünnen HTS-Bandleitern gegeben ist. Durch Beschichtung nach dem vorgeschlagenen Schlauch-Reckverfahren lassen sich porenfreie Isolierschichten realisieren, die auf den für HTS-Leiter typischen Oberflächen gut haften.In the proposed method, it is assumed that the aforementioned methods known per se are suitable for coating oxide HTS conductors, wherein the conductor-specific difficulties mentioned above can be avoided. This is particularly important in a band shape of the superconductor of importance. In this context, a band shape should be understood to mean any rectangular shape with angular or rounded edges. Preferably, however, the rectangular shape can have a relatively high aspect ratio, generally greater than 10, as is the case in particular with known thin HTS ribbon conductors. Coating according to the proposed tube stretching method makes it possible to realize pore-free insulating layers which adhere well to the surfaces typical for HTS conductors.

Die Anwendung dieses Verfahrens auf oxidische HTS-Leiter mit ihrer typischen thermischen und mechanischen Empfindlichkeit erschließt für diese Leitertypen ein erweitertes Anwendungsgebiet aufgrund der einfacheren Verwendbarkeit bereits vorisolierter Leiter. Außerdem sind beträchtliche Kosteneinsparungen gegenüber den bisher in der Supraleitungstechnik angewandten Verfahren zu erwarten. Neben den Einsparungen durch eine rationelle, schnelle Extrusionstechnik liegt ein erhebliches Ratiopotential in den verwendbaren Isolationsmaterialien, die im Vergleich zu bekannten Isolierfolien deutlich billiger sind.The application of this method to oxide HTS conductors with their typical thermal and mechanical sensitivity opens up an extended field of application for these types of conductors due to the ease of use of pre-insulated conductors. In addition, considerable cost savings compared to the previously used in the superconducting technique can be expected. In addition to the savings made by a rational, rapid extrusion technique, there is a considerable potential for ratio in the usable insulation materials, which are significantly cheaper compared to known insulating films.

Mit dem vorgeschlagenen Verfahren ist eine kontinuierliche Beschichtung eines HTS-Leiters möglich, da das Isolationsmaterial aus einem Vorratsbehälter gefördert werden kann, der sich jederzeit nachfüllen läßt. Außerdem ist mit dem Verfahren die Dicke der isolierenden Umhüllung in einem weiten Bereich variabel und mit hinreichender Genauigkeit einzustellen. Da z.B. jeder Einzelleiter vollständig isoliert sein kann, ist bei Bandleiterwicklungen eine doppelte Isolationssicherheit gegeben, weil die Leiter durch eine zweifache Isolationsschicht getrennt sind. Ferner kann durch den Einsatz von verschiedenen thermoplastischen Kunststoffmaterialien das mechanische und thermische Eigenschaftsprofil der Umhüllung dem jeweiligen Anwendungsfall angepaßt werden. Darüber hinaus ist das vorgeschlagene Verfahren deutlich schneller als ein bei metallischen Supraleitern bisher angewandtes klassisches Umspinnungs- oder Lackierverfahren.With the proposed method, a continuous coating of a HTS conductor is possible, since the insulation material can be conveyed from a reservoir, which can be refilled at any time. In addition, with the method, the thickness of the insulating sheath in a wide range is variable and adjust with sufficient accuracy. Since, for example, each individual conductor can be completely insulated, a double insulation security is given for strip conductor windings because the conductors are separated by a double insulation layer. Furthermore, the mechanical and thermal property profile of the envelope can be adapted to the particular application by the use of different thermoplastic materials. In addition, the proposed method is significantly faster than a conventional metallic Umspinnungs- or Lackierverfahren in metallic superconductors.

Außerdem werden bei dem vorgeschlagenen Verfahren auch die seitlichen Leiterkanten isoliert, womit die Gefahr von Kurzschlüssen in diesem Bereich verringert ist. Die Isolation ist insbesondere auch für dünne Bandleiter mit ungünstigem Aspektverhältnis geeignet. Dabei entfällt die bei Lackierverfahren gefürchtete Gefahr einer sogenannte "Kantenflucht", d.h. eine unerwünschte starke Schichtverdünnung im Bereich von Kanten mit kleinen Kantenradien, wie sie gerade bei dünnen Leiterbändern gegeben sind.In addition, in the proposed method, the lateral conductor edges are isolated, so that the risk of short circuits in this area is reduced. The insulation is particularly suitable for thin band conductors with unfavorable aspect ratio. This eliminates the dreaded during painting process danger of a so-called "edge escape", i. an unwanted thick layer dilution in the range of edges with small edge radii, as they are given just with thin conductor strips.

Ferner braucht bei dem vorgeschlagenen Verfahren der HTS-Leiter mechanisch nicht zu stark belastet zu werden. Die mechanische Belastung beschränkt sich nämlich auf die durch Leiterabwickler bzw. -aufwickler erzeugten geringen Zugkräfte. Eine Leiterumlenkung während des Beschichtungsprozesses kann also vorteilhaft vermieden werden.Furthermore, in the proposed method, the HTS conductor does not need to be mechanically stressed too much. The mechanical load is limited to the low tensile forces generated by Leiterabwickler or -aufwickler. A conductor deflection during the coating process can thus be advantageously avoided.

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren sollen bekannte thermoplastische Werkstoffe mit verhältnismäßig niedriger Verarbeitungs- bzw. Schmelztemperatur von unter 200°C eingesetzt werden und auch nur eine verhältnismäßig kurzfristige Erwärmung der Leiter vorgesehen werden, um so eine Degradation der Supraleitungseigenschaften (bzgl. der kritischen Temperatur T_c und insbesondere bzgl. der in A/m² zu messenden kritischen Stromdichte J_c) zumindest weitgehend zu vermeiden. Als hierfür geeignete thermoplastische Materialien sind Polyethylene, Polystyrol-Ethylen-Butylen-Elastomere, Polyurethan-Elastomere, Ethylen/Vinylacatat-Copolymere oder Acrylsäure/Acrylat-Copolymere vorgeschlagen.In the proposed method known thermoplastic materials are to be used with relatively low processing or melting temperature of less than 200 ° C and only a relatively short-term heating of the conductors are provided so as to a degradation of the superconducting properties (with respect to the critical temperature T _c and in particular with regard to the critical current density J _c to be measured in A / m ^2, at least largely avoided. Suitable thermoplastic materials for this purpose are polyethylenes, Polystyrene-ethylene-butylene elastomers, polyurethane elastomers, ethylene / vinyl acetate copolymers or acrylic acid / acrylate copolymers have been proposed.

Mit den vorstehend aufgeführten Thermoplasten können Isolierschichtdicken von minimal etwa 40 bis 50 µm realisiert werden. Um eine möglichst hohe effektive Stromdichte in einem Hoch-T_c-Supraleiter und/oder einer mit solchen Leitern aufgebauten Einrichtung wie z.B. einer supraleitenden Wicklung zu erreichen, sollte jedoch die Isolierschicht demgegenüber geringer sein. Dabei sollte eine gute Haftung des Isolationsmaterials auf dem Leiter und eine gute Anbindung der entsprechenden Isolierschicht an Tränk- und Gießharze zu gewährleisten sein. Es zeigt sich jedoch, dass mit den vorgeschlagenen Isolationsmaterialien z.B. die Herstellung von sogenannten Roebelstäben (vgl. z.B. DE-PS 277012 oder "Siemens Review", Vol. 55, No.4, 1988, Seiten 32 bis 36 oder "IEEE Transactions on Applied Superconductivity", Vol. 9, No. 2, Juni 1999, Seiten 111 bis 121) sich problematisch gestaltet, da diese Isolationsmaterialien bei Raumtemperatur verhältnismäßig weich sind und einen hohen Reibkoeffizienten besitzen.With the thermoplastics listed above, insulating layer thicknesses of at least about 40 to 50 μm can be realized. In order to achieve the highest possible effective current density in a high-T _c superconductor and / or a device constructed with such conductors such as a superconducting winding, however, the insulating layer should be lower contrast. In this case, a good adhesion of the insulating material on the conductor and a good connection of the corresponding insulating layer of impregnating and casting resins should be ensured. It turns out, however, that with the proposed insulation materials, for example, the production of so-called Roebel rods (cf., for example, DE-PS 277012 or "Siemens Review", Vol. 55, No.4, 1988, pages 32 to 36 or "IEEE Transactions on Applied Superconductivity ", Vol. 9, No. 2, June 1999, pages 111 to 121) is problematic, since these insulation materials are relatively soft at room temperature and have a high coefficient of friction.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren vorzuschlagen, das die vorerwähnten Schwierigkeiten vermindert. Außerdem sollen besondere, nach dem Verfahren umhüllte Hoch-T_c-Supraleiter angegeben werden.Object of the present invention is therefore to propose a method which reduces the aforementioned difficulties. In addition, special, enveloped by the process high-T _c superconductors are given.

Die sich auf das Verfahren beziehende Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Maßnahmen gemäß Anspruch 1 gelöst. Dementsprechend sieht das Verfahren zur Herstellung einer allseitigen Umhüllung aus einem elektrischen Isolationsmaterial aus Kunststoff um mindestens einen bandförmigen Supraleiter mit oxidischem Hoch-T_c-Supraleitermaterial vor, dass zu einem kontinuierlichen Umhüllungsprozess bei einer die Supraleitungseigenschaften des Leiters praktisch nicht beeinträchtigenden Verfahrenstemperatur

• der Leiter aus einem sich in einer Vortriebsrichtung erstreckenden Führungskanal austritt,
• ein Schmelzeschlauch aus einem geschmolzenen thermoplastischen Isolationsmaterial in der Vortriebsrichtung aus einer Düse extrudiert wird, deren Austrittsöffnung den Leiter unter allseitiger Beabstandung umgibt,
• mit dem Vortrieb des Leiters der Schmelzeschlauch gedehnt und auf die Leiteroberfläche gezogen wird
  sowie
• der so auf die Leiteroberfläche aufgebrachte Schmelzeschlauch durch Abkühlung verfestigt wird.

Dabei soll bei einer Verfahrenstemperatur zwischen 200°C und 500°C, vorzugsweise zwischen 220°C und 450°C, als Isolationsmaterial ein thermoplastisches Material verwendet werden, dessen Schmelztemperatur in diesem Temperaturbereich liegt. Unter einer die Supraleitungseigenschaften des Leiters praktisch nicht beeinträchtigenden Verfahrenstemperatur wird in diesem Zusammenhang eine Temperatur verstanden, die höchstens zu einer Degradation der kritischen Stromdichte J_c [in A/m²] von unter 10 % führt.The object relating to the method is achieved according to the invention with the measures according to claim 1. Accordingly, the method for producing an all-round covering of an electrical insulation material made of plastic by at least one strip-shaped superconductor with oxide high-T _c -Supraleitermaterial before, that a continuous wrapping process at a superconducting properties of the conductor practically not affecting process temperature

• the conductor emerges from a guide channel extending in a forward drive direction,
• a melt tube of molten thermoplastic insulation material is extruded in the advancing direction from a nozzle whose outlet surrounds the conductor under all-round spacing,
• as the conductor advances, the melt tube is stretched and pulled onto the conductor surface
  such as
• the thus applied to the conductor surface melted tube is solidified by cooling.

In this case, at a process temperature between 200 ° C and 500 ° C, preferably between 220 ° C and 450 ° C, as the insulating material, a thermoplastic material may be used whose melting temperature is in this temperature range. Under a superconducting properties of the conductor practically not affecting process temperature is understood in this context, a temperature which leads at most to a degradation of the critical current density J _c [in A / m ² ] of less than 10%.

Als entsprechende Thermoplaste sind insbesondere spezielle technische Thermoplaste wie Polyamide und Polyester sowie insbesondere auch Hochtemperatur-Thermoplaste (HT-Thermoplaste) wie Polyetherimid (PEI), Polyethersulfon (PES), Polysulfon (PSU), Polyphenylensulfon (PPSU) und Polyetheretherketon (PEEK) geeignet.Suitable thermoplastics are in particular special engineering thermoplastics such as polyamides and polyesters and in particular high-temperature thermoplastics (HT thermoplastics) such as polyetherimide (PEI), polyethersulfone (PES), polysulfone (PSU), polyphenylene sulfone (PPSU) and polyetheretherketone (PEEK) suitable.

Es hat sich nämlich gezeigt, dass überraschenderweise HTS-Bandleiter insbesondere mit Filamenten aus Bi-Cupratmaterial und einer Einbettung der Filamente in eine Ag-Matrix Temperaturbelastungen von mindestens 500°C für mehrere Minuten aushalten, ohne dass ihre Supraleitereigenschaften wie insbesondere ihre Stromtragfähigkeit beeinträchtigt werden. Dies macht einen Einsatz der erfindungsgemäß zu wählenden Thermoplaste möglich. Dabei ist darüber hinaus von Vorteil, dass die erfindungsgemäß gewählten Thermoplaste, insbesondere die HT-Thermoplaste PEI, PPSU und PEEK, sehr gute elektrische und außergewöhnlich gute Tieftemperatureigenschaften besitzen, d.h. sich durch gute Flexibilität und Zähigkeit bei tiefen Temperaturen auszeichnen. Demgegenüber zeigen andere Thermoplaste bei tiefen Temperaturen oft starke Neigung zur Versprödung. Ein weiterer Vorteil gegenüber den mit der früheren Anmeldung WO 00/11684 vorgeschlagenen Thermoplasten ist eine in dem beanspruchten Temperaturbereich zu erreichende verbesserte Adhäsionshaftung auf keramischen und metallischen Substraten aufgrund des ausgeprägt polaren Charakters dieser Werkstoffe und der wesentlich besseren Verträglichkeit und Anbindung an Epoxid- (EP-) und ungesättigte Polyesterharze (UP-Harze), die als Verguss- und Tränkmassen für Einrichtung unter Verwendung solcher Supraleiter eingesetzt werden.It has been found that, surprisingly, HTS strip conductors, in particular with filaments of Bi cuprate material and an embedding of the filaments in an Ag matrix, can withstand temperatures of at least 500 ° C. for several minutes without impairing their superconducting properties, in particular their current carrying capacity. This makes it possible to use the thermoplastics to be selected according to the invention. It is also advantageous that the inventively selected thermoplastics, especially the HT thermoplastics PEI, PPSU and PEEK, have very good electrical and exceptionally good low temperature properties, ie, by good flexibility and toughness at low Distinguish temperatures. In contrast, other thermoplastics often show a strong tendency to embrittle at low temperatures. A further advantage over the thermoplastics proposed by the earlier application WO 00/11684 is an improved adhesion adhesion to ceramic and metallic substrates to be achieved in the claimed temperature range due to the pronounced polar character of these materials and the significantly better compatibility and bonding to epoxide (EP) ) and unsaturated polyester resins (UP resins) used as potting and impregnating compositions for use of such superconductors.

Ferner haben die erfindungsgemäß zu wählenden Thermoplaste vorteilhaft bei Raumtemperatur einen hohen E-Modul (> 3000 MPa), eine hohe Oberflächenhärte (Rockwell-Härte ≥ 120; R-Skala) und einen niedrigen Reibkoeffizienten (< 0.6). Als Vergleich seien die entsprechenden Werte für Ethylenvinylacetat (EVA) genannt, das in der früheren Anmeldung WO 00/11684 aufgeführt ist: E-Modul < 400 Mpa, Oberflächenhärte Shore-D < 40 und Reibkoeffizient > 1. Dieses mechanische und tribologische Eigenschaftsprofil der gewählten Thermoplaste ermöglicht auch eine problemlose Herstellung von Roebelleitern. Dies ist ein weiterer großer Vorteil gegenüber den in der früheren Anmeldung WO 00/11684 aufgeführten Thermoplasten, mit denen die Herstellung von Roebelleitern nicht bzw. nur mit erheblichem Aufwand möglich ist. Bei der Roebelleiterherstellung muss nämlich die Isolierschicht ein ausreichendes Gleitvermögen sicherstellen, da die Einzelleiter zu einem Leiterverbund beispielsweise mittels einer Bandagierung zusammengefasst werden, wobei es zu einer Relativbewegung der Einzelleiter gegeneinander kommt. Bedingt durch den hohen Reibkoeffizienten und der niedrigen Oberflächenhärte der in der früheren Anmeldung WO 00/11684 aufgelisteten Kunststoffe können die Einzelleiter nicht gegeneinander abgleiten, es kommt zu Deformationen der Isolierschicht, die bis zu einem Aufreißen de Isolierschicht führen können.Furthermore, the thermoplastics to be selected according to the invention advantageously have a high modulus of elasticity (> 3000 MPa) at room temperature, a high surface hardness (Rockwell hardness ≥ 120, R scale) and a low coefficient of friction (<0.6). As a comparison, the corresponding values for ethylene vinyl acetate (EVA) are mentioned, which is listed in the earlier application WO 00/11684: modulus <400 Mpa, surface hardness Shore D <40 and friction coefficient> 1. This mechanical and tribological property profile of the selected Thermoplastics also enable problem-free production of Roebelleitern. This is another great advantage over the thermoplastics listed in the earlier application WO 00/11684, with which the production of Roebelleitern is not possible or only with considerable effort. In Roebelleiterherstellung namely, the insulating layer must ensure sufficient slipperiness, since the individual conductors are combined to form a conductor composite, for example by means of a bandaging, which leads to a relative movement of the individual conductors against each other. Due to the high coefficient of friction and the low surface hardness of the listed in the earlier application WO 00/11684 plastics, the individual conductors can not slide against each other, it comes to deformation of the insulating layer, which can lead to tearing de insulating layer.

Ein erheblicher Vorteil der Verwendung der neuen Isolierwerkstoffe liegt in der deutlichen Reduzierung der Isolierschichtdicke. Durch die guten Verarbeitungseigenschaften dieser Kunststoffe im Schlauchreckprozess lassen sich Isolierschichtdicken der Umhüllung von unter 100 µm, vorzugsweise im Bereich 15 bis 30 µm und darunter realisieren, beispielsweise mittlere Dicken von höchstens 30 µm. Dies ist wesentlich, um eine hohe effektive Stromdichte im Leiter zu erreichen. Verglichen mit den Materialien gemäß der früheren Anmeldung WO 00/11684, wo bevorzugt mit einer Schichtdicke von ca. 50 µm gearbeitet wird, ist dies eine Verringerung der Schichtdicke von über 50 %. Die Kombination von gutem Verarbeitungsverhalten und dem oben erwähnten mechanischen und tribologischen Eigenschaftsprofil ermöglicht die sichere und problemlose Herstellung vorzugsweise von Roebelleitern mit Isolierschichtdicken von 15 bis 30 µm mit hoher effektiver Stromdichte.A significant advantage of using the new insulating materials lies in the significant reduction of the insulating layer thickness. Due to the good processing properties of these plastics in the tube stretching process can allow insulating layer of the cladding of less than 100 μ m, preferably in the range 15 to 30 μ m and realize including, for example microns average thickness of not more than 30th This is essential to achieve a high effective current density in the conductor. Compared with the materials according to the previous application WO 00/11684, where preferably with a layer thickness of about 50 μ is worked m, this is a reduction of the layer thickness of over 50%. The combination of good processing behavior and the above-mentioned mechanical and tribological property profile enables the safe and problem-free production preferably of Roebelleitern with insulating layer thicknesses of 15 to 30 μ m with high effective current density.

Unter einem HTS-Leiter, auf den das erfindungsgemäße Verfahren anzuwenden ist, sei hierbei nicht nur ein einzelner Leiter, sondern auch eine Zusammensetzung/-fassung aus mehreren solcher Leiter oder Teilen von ihnen verstanden. Der Leiter kann dabei mindestens einen Leiterkern aus dem Supraleitermaterial enthalten.An HTS conductor to which the method according to the invention is to be applied is here understood to mean not only a single conductor, but also a composition of several such conductors or parts of them. The conductor can contain at least one conductor core made of the superconducting material.

Ein erfindungsgemäß mit einer isolierenden Umhüllung überzogener Supraleiter kann ohne zusätzliche Isolationsfolie eingesetzt werden. Somit entfällt der durch das Mitwickeln einer Isolation verursachte Fertigungsaufwand.An inventive coated with an insulating sheath superconductor can be used without additional insulation film. Thus eliminates caused by the co-winding insulation isolation effort.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und nach diesem Verfahren umhüllter Supraleiter gehen aus den jeweils abhängigen Ansprüchen hervor.Advantageous embodiments of the method according to the invention and coated by this method superconductor are apparent from the respective dependent claims.

So können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhaft nicht nur Umhüllungen mit allseitig etwa gleichmäßiger Dicke ausgebildet werden. Vielmehr lässt sich eine derart gestaltete Austrittsöffnung der Düse vorsehen, dass deren Beabstandung bezüglich des Leiters in dessen Umfangsrichtung gesehen ungleichmäßig ist. Auf diese Weise können insbesondere bestimmte Abstände zwischen benachbarten Leitern z.B. innerhalb eines Leiterverbundes oder einer Wicklung festgelegt werden.Thus, not only casings with an approximately uniform thickness on all sides can advantageously be formed with the method according to the invention. Rather, such a designed outlet opening of the nozzle can provide that their spacing is uneven with respect to the conductor in its circumferential direction. In this way, in particular certain distances between adjacent conductors, for example within a conductor network or a winding can be determined.

Besonders vorteilhaft wird das erfindungsgemäße Verfahren zum Umhüllen eines bandförmigen Hoch-T_c-Supraleiters mit einem Aspektverhältnis von mindestens 3, vorzugsweise mindestens 10, verwendet. Gerade derartige Supraleiter, die zudem noch nur eine geringe Dicke haben können, sind mit bekannten Beschichtungsverfahren nur schwer und nur unter der Gefahr der erwähnten Kantenflucht zu beschichten.Particularly advantageous method of the invention for wrapping a band-shaped high-T _c superconductor with an aspect ratio of at least 3, preferably at least 10, is used. Especially such superconductors, which also still can only have a small thickness, are difficult to coat with known coating methods and only at the risk of mentioned Kantenflucht.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann ebensogut auch zur Umhüllung von bandförmigen supraleitenden Mehrfach- oder -Verbundleitern verwendet werden. Derartige Leiter weisen einen Aufbau aus mehreren supraleitenden Leiterteilen oder -Leiterbereichen auf, wobei mindestens ein supraleitender Einzelleiter bzw. eine solche Leiterader vorgesehen sind. Gerade ein entsprechender Aufbau lässt sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren besonders einfach und gleichmäßig mit einer isolierenden Umhüllung ohne die Gefahr einer Beeinträchtigung der Leitereigenschaften des Supraleitermaterials versehen.The method according to the invention can just as well be used for wrapping band-shaped superconducting multiple or composite conductors. Such conductors have a structure of a plurality of superconducting conductor parts or conductor regions, wherein at least one superconducting single conductor or such a conductor core are provided. Just a corresponding structure can be particularly simply and evenly provided with an insulating sheath with the inventive method without the risk of affecting the conductor properties of the superconductor material.

Vorteilhaft wird im Hinblick auf eine gute Haftung des ausgewählten thermoplastischen Isolationsmaterials auf dem HTS-Leiter dessen Aufheizung vor oder bei seiner Einführung in den Führungskanal vorgesehen. Die Aufheiztemperatur sollte dabei vorzugsweise zumindest annähernd die Verfahrenstemperatur (zulässige Abweichung: +/- 50°C) sein.Advantageously, in view of a good adhesion of the selected thermoplastic insulation material on the HTS conductor whose heating before or at its introduction into the guide channel is provided. The heating temperature should preferably be at least approximately the process temperature (permissible deviation: +/- 50 ° C).

Vorteilhafte Ausbildungen von nach dem erfindungsgemäßen Verfahren umhüllten bandförmigen Hoch-T_c-Supraleitern sind in den Ansprüchen 13 bis 21 angegeben.Advantageous embodiments of coated by the novel process strip-shaped high-T _c superconductors are given in claims 13 to 21.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und von nach diesem Verfahren umhüllten Hoch-T_c-Supraleitern gehen aus den übrigen, jeweils abhängigen Ansprüchen hervor.Further advantageous embodiments of the method according to the invention and coated by this method high-T _c superconductors are apparent from the remaining, dependent claims.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen noch weiter erläutert. Dabei zeigen jeweils schematisch deren Figuren 1 und 2 eine Düse einer Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens als Längsschnitt bzw. in Frontansicht
sowie
deren Figur 3 eine Anlage zur Extrusionsbeschichtung eines HTS-Leiters mit einer Düse gemäß den Figuren 1 und 2.The invention will be explained in more detail with reference to embodiments. In each case schematically their Figures 1 and 2 show a nozzle of a system for carrying out the method according to the invention as a longitudinal section or in front view
such as
FIG. 3 shows a plant for the extrusion coating of a HTS conductor with a nozzle according to FIGS. 1 and 2.

In den Figuren sind sich entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen. Nicht dargestellte Teile sind allgemein bekannt.In the figures, corresponding parts are given the same reference numerals. Not shown parts are well known.

Bei einer zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorzusehenden Anlage wird von an sich bekannten Vorrichtungen ausgegangen, wie sie zur Ummantelung von nicht-supraleitenden Drähten mit Kunststoffmaterialien mittels Extrusionsbeschichtung nach dem sogenannten Schlauch-Reckverfahren verwendet werden (vgl. die genannte US 3 893 642 oder die genannten DE-A-Schriften 2 022 802 und 21 10 934). Eine entsprechende Anlage (vgl. Figur 3) umfasst einen sogenannten Extruder mit Extrusionskopf, der eine Extrusionsdüse aufweist, welche in den Figuren 1 und 2 im Längsschnitt bzw. in Frontansicht veranschaulicht ist. Diese allgemein mit 2 bezeichnete Düse enthält mittig einen Führungskanal 3. Durch diesen Kanal ist ein mit einer elektrisch isolierenden Umhüllung 4 zu versehender Supraleiter 5 in einer durch einen Pfeil v angedeuteten Vortriebsrichtung mit Hilfe von nicht dargestellten Vortriebsmitteln (vgl. Figur 3) zu führen. Gemäß dem angenommenen Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Supraleiter 5 um einen bandförmigen HTS-Leiter. Dieser Leiter kann vorteilhaft vor dem Einführen in den Führungskanal 3 vorgeheizt werden.A system to be provided for carrying out the method according to the invention is based on devices known per se, such as those used for coating non-superconducting wires with plastic materials by means of extrusion coating according to the so-called tube stretching method (see the aforementioned US 3,893,642 or the cited US Pat DE-A-2 022 802 and 21 10 934). A corresponding system (see Figure 3) comprises a so-called extruder with extrusion head, which has an extrusion die, which is illustrated in Figures 1 and 2 in longitudinal section and in front view. This nozzle, generally designated 2, contains a guide channel 3 centrally through this channel, a superconductor 5 to be provided with an electrically insulating sheath 4 is to be guided in a direction of advance indicated by an arrow v by means of propulsion means (see FIG. According to the assumed embodiment, the superconductor 5 is a band-shaped HTS conductor. This conductor can advantageously be preheated prior to insertion into the guide channel 3.

Gegebenenfalls ist statt dessen oder zusätzlich der Führungskanal selbst aufheizbar.Optionally, instead of or in addition, the guide channel itself can be heated.

Das Isoliermaterial der Umhüllung 4 wird in dem nicht dargestellten Extruder (vgl. Figur 3) aufgeschmolzen, in den Extrusionskopf mit Verteilersystem gefördert und als Schmelze 6 in einen Düsenspalt 7 der Extrusionsdüse 2 gedrückt. An einer Austrittsöffnung 8 des Düsenspalts 7, dessen Spaltweite dort deutlich größer ist als die endgültige Dicke d der Umhüllung 4 um den Bandleiter 5 , tritt in der Vortriebsrichtung v gesehen ein Schmelzeschlauch 9 aus, der in Form eines Reckkegels aufgrund einer Fixierung seiner Kegelspitze am Bandleiter verstreckt und mit der am Bandleiter geforderten Schichtdicke d auf den Leiter aufgebracht wird. Ein am Führungskanal 3 vorteilhaft angelegtes Vakuum erzeugt im Innern des Reckkegels einen Unterdruck, der einen Einschluß von Luftblasen zwischen der Umhüllung und dem Leiter verhindert und der zusammen mit der Vorwärmung des Leiters einen guten Haftsitz der Umhüllung 4 auf dem Leiter gewährleistet. Der so umhüllte Bandleiter ist in der Figur 1 mit 5' bezeichnet.The insulating material of the envelope 4 is melted in the extruder (see FIG. 3), not shown, conveyed into the extrusion head with distribution system and pressed as a melt 6 into a die gap 7 of the extrusion die 2. At an outlet opening 8 of the nozzle gap 7, the gap width is significantly greater than the final thickness d of the sheath 4 to the strip conductor 5, occurs in the advancing v seen a melt tube 9, in the form of a stretch cone due to a fixation of its apex on the strip conductor stretched and applied with the required on the stripline layer thickness d on the conductor. An advantageously applied to the guide channel 3 vacuum generated in the interior of the stretch cone a negative pressure which prevents the inclusion of air bubbles between the sheath and the conductor and which ensures a good adhesion seat of the sheath 4 on the conductor together with the preheating of the conductor. The band conductor enveloped in this way is designated 5 'in FIG.

Wie aus Figur 2 hervorgeht, hat die Düsenspaltöffnung 8 vorteilhaft eine an die Kontur des Bandleiters 5 angepaßte Form. Die somit weitgehend rechteckige Öffnung mit Abrundungen an den Ecken ist bezüglich der Flächen des Bandleiters um Abstände a1 und a2 beabstandet und wird durch Spaltweiten w1 und w2 sowie durch Krümmungsradien R1 und R2 in ihren Eckbereichen festgelegt. Die Abstände (al, a2) der Düsenspaltöffnung 8 vom Bandleiter 5, deren geometrische Gestaltung (w1, w2, R1, R2) und die Vortriebsgeschwindigkeit v des Leiters bestimmen die Kontur der Umhüllung 4 und deren Dicke d. Die geometrische Gestaltung der Extrusionsdüse kann dabei, wie für das Ausführungsbeispiel nach Figur 2 angenommen wurde, so gewählt werden, daß die Dicke d der Umhüllung 4 auf allen Seiten etwa gleich groß ist. Dabei wird im allgemeinen eine Dicke d von weniger als 0,5 mm eingeplant, beispielsweise zwischen 30 und 300 µm. Abweichend davon kann durch eine andere Gestaltung der Extrusionsdüsenöffnung, z.B. a2 < a1 und w1 < w2, bewirkt werden, daß sich an den Schmalseiten des Leiters Seitenlippen bilden. Solche Seitenlippen können dann als Abstandshalter beim Herstellen von Lagenwicklungen Verwendung finden und machen somit ein zusätzliches Mitwickeln von besonderen Abstandshaltern wie z.B. von Glaszwirn überflüssig. Auch kann die Kontur der Austrittsöffnung 8 des Düsenspalts dahingehend strukturiert sein, daß sich auf mindestens einer Seite des Leiters eine nicht-gleichmäßige Dicke der Umhüllung ergibt. Auf diese Weise ist z.B. mittels einer rinnenartigen Vertiefung in der Kontur der Öffnung 8 eine stegartige Wulst der Umhüllung zu erhalten, die dann als ein Abstandshalter dienen kann. Ferner kann man gegebenenfalls auch von einer exakt zentrischen Führung des Supraleiters durch den Führungskanal 3 absehen, um so eine ein- oder zweiseitig stärkere Umhüllung zu erzeugen.As is apparent from Figure 2, the nozzle gap opening 8 advantageously has a shape adapted to the contour of the strip conductor 5 form. The thus largely rectangular opening with rounding at the corners is spaced with respect to the surfaces of the strip conductor by distances a1 and a2 and is defined by gap widths w1 and w2 and by radii of curvature R1 and R2 in their corner regions. The distances (a1, a2) of the nozzle gap opening 8 from the strip conductor 5, their geometric configuration (w1, w2, R1, R2) and the advancing speed v of the conductor determine the contour of the envelope 4 and its thickness d. The geometric design of the extrusion die can, as was assumed for the embodiment of Figure 2, are chosen so that the thickness d of the envelope 4 is about the same size on all sides. In general, a thickness d of less than 0.5 mm is planned, for example between 30 and 300 μm. Deviating from it can by a Another design of the extrusion nozzle opening, for example a2 <a1 and w1 <w2, causes side lips to form on the narrow sides of the conductor. Such side lips can then be used as spacers in the manufacture of layer windings and thus make an additional co-winding of special spacers such as glass twine superfluous. Also, the contour of the outlet opening 8 of the nozzle gap may be structured such that a non-uniform thickness of the envelope results on at least one side of the conductor. In this way, for example, by means of a groove-like depression in the contour of the opening 8 to obtain a web-like bead of the envelope, which can then serve as a spacer. Furthermore, it is also possible, if appropriate, to disregard an exactly centric guidance of the superconductor through the guide channel 3 in order to produce a one-sided or two-sided stronger covering.

Als isolierende Kunststoffmaterialien für die Umhüllung 4 kommen alle thermoplastischen Werkstoffe in Frage, die einerseits eine Verarbeitungs- bzw. Schmelztemperatur haben, die eine Beeinträchtigung der Supraleitungseigenschaften des zu umhüllenden HTS-Leiters 5 ausschließt und dennoch eine hinreichende Plastizität für das Extrusionsbeschichtungsverfahren gewährleistet. Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass bekannte HTS-Bandleiter mit Filamenten aus Bi-Cupratmaterial, die in eine Ag-Matrix eingebettet sind, Temperaturbelastungen von über 500°C für mehrere Minuten aushalten, ohne dass ihre Supraleitungseigenschaften beeinträchtigt werden. Ein entsprechender, für die nachfolgenden Betrachtungen zu Grunde gelegter konkreter HTS-Standardbandleiter ist aus "IEEE Transactions on Applied Superconductivity", Vol. 9, No. 2, Juni 1999, Seiten 2480 bis 2485 bekannt. Er besitzt eine von einer AgMg-Hülle umgebene Ag-Matrix mit 55 darin eingelagerten, gegenseitig vertwisteten Leiterkernen bzw. -filamenten aus dem Hoch-T_c-Supraleitermaterial (Bi,Pb)₂Sr₂Ca₂Cu₃O_x (sogenanntes "BPSCCO-2223"-HTS-Material). Seine Außendimensionen (ohne Isolation) sind 3,6 x 0,26 mm².Suitable insulating plastic materials for the sheath 4 are all thermoplastic materials which, on the one hand, have a processing or melting temperature which precludes impairment of the superconducting properties of the HTS conductor 5 to be enveloped and nevertheless ensures adequate plasticity for the extrusion coating process. It has surprisingly been found that known HTS ribbon conductors with filaments of Bi cuprate material embedded in an Ag matrix can withstand temperature stresses of over 500 ° C. for several minutes without impairing their superconducting properties. A corresponding concrete HTS standard strip conductor on which the following considerations are based is known from "IEEE Transactions on Applied Superconductivity", Vol. 2, June 1999, pages 2480 to 2485. It has an Ag matrix surrounded by an AgMg shell with 55 embedded mutually vertwisteten conductor cores or filaments of the high-T _c superconducting material (Bi, Pb) ₂ Sr ₂ Ca ₂ Cu ₃ O _x (so-called "BPSCCO -2223 "HTS material). Its external dimensions (without insulation) are 3.6 x 0.26 mm ² .

Vorzugsweise für einen solchen HTS-Bandleiter werden erfindungsgemäß thermoplastische Materialien gewählt, deren Verarbeitungstemperatur über 200°C liegt und maximal 500°C betragen kann. Vorteilhaft werden solche Materialien ausgewählt, die eine Verarbeitung in einem Temperaturbereich zwischen 220°C und 450°C, insbesondere zwischen 240°C und 420°C, vorzugsweise zwischen 250°C und 380°C ermöglichen. Die Auswahl von Thermoplasten für diesen Temperaturbereich ist besonders groß. Entsprechend geeignete Materialien sind insbesondere an sich bekannte technische Thermoplaste aus der Familie der Polyamide oder Polyester, die bevorzugt für den unteren Teil (etwa zwischen 200°C und 290°C) des genannten Temperaturbereichs vorzusehen sind. Als weiterhin besonders geeignet insbesondere für den oberen Teil des Temperaturbereichs sind spezielle Hochtemperatur(HT)-Thermoplaste wie ein Polyetherimid (PEI) oder ein Polyethersulfon (PES) oder ein Polysulfon (PSU) oder ein Polyphenylensulfon (PPSU) oder ein Polyetheretherketon (PEEK) anzusehen.According to the invention, thermoplastic materials whose processing temperature is above 200 ° C. and can amount to a maximum of 500 ° C. are preferably selected for such a HTS ribbon conductor. Advantageously, those materials are selected which allow processing in a temperature range between 220 ° C and 450 ° C, in particular between 240 ° C and 420 ° C, preferably between 250 ° C and 380 ° C. The choice of thermoplastics for this temperature range is particularly large. Correspondingly suitable materials are, in particular, known technical thermoplastics from the family of polyamides or polyesters, which are preferably to be provided for the lower part (approximately between 200 ° C. and 290 ° C.) of the temperature range mentioned. Further particularly suitable for the upper part of the temperature range are special high-temperature (HT) thermoplastics such as a polyetherimide (PEI) or a polyethersulfone (PES) or a polysulfone (PSU) or a polyphenylene sulfone (PPSU) or a polyetheretherketone (PEEK) ,

Die konkrete Auswahl der thermoplastischen Isolationsmaterialien wird zusätzlich unter dem Gesichtspunkt vorgenommen, daß die eingesetzten Thermoplaste hinreichend gute Tieftemperatureigenschaften besitzen, um so Ausfälle unter Betriebsbedingungen und/oder bei Abkühlungs- und Aufwärmvorgängen ausschließen zu können.The concrete selection of the thermoplastic insulation materials is additionally made from the viewpoint that the thermoplastics used have sufficiently good low-temperature properties so as to exclude failures under operating conditions and / or during cooling and warm-up operations.

Bei Verwendung von transparenten Isoliermaterialien kann zusätzlich die Isolierhülle mit Farbstoffen eingefärbt werden. Dadurch ist eine leichte optische Kontrolle der Umhüllung möglich.When using transparent insulating materials, the insulating sleeve can additionally be dyed with dyes. As a result, a slight optical control of the envelope is possible.

Das erfindungsgemäße Dünnschicht-Extrusionsbeschichtungsverfahren ist besonders zum Umhüllen von bandförmigen HTS-Leitern geeignet, deren Leiterbanddicke unter 1,5 mm, vorzugsweise unter 0,5 mm, liegt und die ein hohes Aspektverhältnis von mindestens 3, vorzugsweise mindestens 10, haben.The thin-film extrusion coating process according to the invention is particularly suitable for wrapping band-shaped HTS conductors whose conductor strip thickness is less than 1.5 mm, preferably less than 0.5 mm, and which have a high aspect ratio of at least 3, preferably at least 10.

Ein entsprechender HTS-Bandleiter kann beispielsweise eine Breite von 3,6 mm und eine Dicke von 0,25 mm besitzen und insbesondere der vorerwähnte HTS-Standardbandleiter sein.A corresponding HTS ribbon conductor may, for example, have a width of 3.6 mm and a thickness of 0.25 mm, and in particular be the aforementioned HTS standard ribbon conductor.

Als HTS-Materialien kommen prinzipiell alle bekannten oxidischen Supraleitermaterialien mit hoher Sprungtemperatur in Frage, die insbesondere eine LN₂-Kühltechnik zulassen. Dabei sind jedoch als besonders geeignet Bi-Cupratmaterialien anzusehen, die hauptsächlich die sogenannte 2212-Phase (80 K-Phase) oder vorzugsweise die sogenannte 2223-Phase (110 K-Phase) zumindest zu einem überwiegenden Teil enthalten (vgl. z.B. "IEEE Transactions on Applied Superconductivity", Vol. 7, No. 2, Juni 1997, Seiten 355 bis 358). Das Bi-Cupratmaterial kann dabei zusätzlich Pb enthalten ( sogenanntes "BPSCCO").In principle, all known oxide superconductor materials having a high transition temperature, which in particular permit an LN ₂ cooling technique, are suitable as HTS materials. In this case, however, bi-cuprate materials which contain mainly the so-called 2212 phase (80 K phase) or preferably the so-called 2223 phase (110 K phase) at least predominantly (cf. eg "IEEE Transactions on Applied Superconductivity ", Vol. 7, No. 2, June 1997, pages 355 to 358). The bi-cuprate material may additionally contain Pb (so-called "BPSCCO").

Bandförmige HTS-Leiter mit erfindungsgemäß erstellten Umhüllungen sind außerdem zumeist mit einer zusätzlichen keramischen Oberflächenbeschichtung versehen, die ein Versintern der eigentlichen, metallischen Außenseiten bzw. Oberflächen des Leiters, die bevorzugt aus Ag oder einer Ag-Legierung wie AgMg bestehen, während erforderlicher Reaktionsglühungen verhindern sollen.Band-shaped HTS conductors with sheaths produced according to the invention are also usually provided with an additional ceramic surface coating which is intended to prevent sintering of the actual, metallic outer sides or surfaces of the conductor, which preferably consist of Ag or an Ag alloy such as AgMg, during required reaction anneals ,

Gemäß einem konkreten Ausführungsbeispiel wurde ein entsprechender 2223-BPSCCO/Ag-Standardbandleiter mit einem erfindungsgemäßen thermoplastischen Material umhüllt. Eine entsprechende Beschichtungsanlage ist in Figur 3 angedeutet. Diese allgemein mit 12 bezeichnete Anlage weist in Bandführungsrichtung v gesehen hintereinander die folgenden Teile auf, nämlich
eine Abwickelvorrichtung (sogenannter "Abwickler") 14, von der der zu beschichtende HTS-Bandleiter 5 abgewickelt wird, eine Filzbremse 15,
eine N₂-Schutzgasspülung 16 zur Vermeidung von Oxidation, eine berührungslose induktive Leiterheizung 17, um den Leiter zumindest annähernd auf die Verarbeitungstemperatur des verwendeten thermoplastischen Isolationsmaterials wie z.B. von einem thermoplastischen Polyurethan-Elastomer aufzuheizen, eine Extrusionsbeschichtungsvorrichtung (sogenannter "Extruder") 18 mit Nachfülltrichter 19 für das thermoplastische Isoliermaterial, einem Extrusionskopf mit eingebauter Extrusiondüse 2,
eine Luftdusche 20,
mehrere Führungsrollen 21i,
einen Porendetektor 22 zur Überwachung der aufgebrachten Umhüllung,
mindestens ein Kaltluftgebläse 23j,
eine zerstörungsfreie Isolierschichtdickenüberwachung 24, einen Bandabzug 25 sowie
eine kraftgesteuerte Aufwickelvorrichtung (sogenannter "Aufwickler") 26 zur Aufnahme des mit der Umhüllung aus dem verfestigten bzw. erkalteten thermoplastischen Polyurethan-Elastomer versehenen Bandleiters 5'.According to one specific embodiment, a corresponding 2223 BPSCCO / Ag standard tape conductor was wrapped with a thermoplastic material according to the invention. A corresponding coating system is indicated in FIG. This system, generally designated 12, has the following parts in succession in the direction of tape guide v, namely
an unwinding device (so-called "unwinder") 14, from which the HTS strip conductor 5 to be coated is unwound, a felt brake 15,
an N ₂ protective gas purge 16 to prevent oxidation, a non-contact inductive heating conductor 17 to the conductor at least approximately to the processing temperature of the used thermoplastic insulation material such as from a thermoplastic polyurethane elastomer, an extrusion coater (so-called "extruder") 18 with a refilling funnel 19 for the thermoplastic insulating material, an extrusion head with a built-in extrusion die 2,
an air shower 20,
a plurality of guide rollers 21i,
a pore detector 22 for monitoring the applied envelope,
at least one cold air blower 23j,
a non-destructive insulation thickness monitoring 24, a tape 25 as well as
a force-controlled take-up device (so-called "rewinder") 26 for receiving the coated with the sheath of the solidified or cooled thermoplastic polyurethane elastomer strip conductor 5 '.

Dabei kann auch durch die Wahl einer geeigneten Bandabzugsgeschwindigkeit die Dicke d der Umhüllung beeinflußt werden. So kann z.B. bei einer Leiterdurchlaufgeschwindigkeit von etwa 5 m/min eine Umhüllung von etwa 30 µm Dicke erzeugt werden. Zur Haftverbesserung der Umhüllung auf der Leiteroberfläche wird der Leiter mittels der Leiterheizung 17 induktiv vorgeheizt, insbesondere zumindest annähernd auf ein Temperaturniveau nahe der Verarbeitungstemperatur (d.h. gegebenenfalls geringfügig darüber oder darunter, z.B. +/- 50°C). Diese nur kurzfristig erforderliche und deshalb das Supraleitermaterial nicht schädigende Vorwärmung des Leiters erfolgt vorteilhaft unter Schutzgasatmosphäre, um Oxidbildungen auf der Leiteroberfläche zu vermeiden, die sich negativ auf die Haftung der isolierenden Umhüllungsschicht auf dem Leiter auswirken können. Eine mögliche Vorwärmung eines Leiters ist zwar prizipiell bekannt; allerdings liegen die bisher angewandten Vorwärmtemperaturen deutlich niedriger als die für HTS-Leiter vorzusehenden Verarbeitungstemperaturen der gewählten Thermoplaste. Um eine wirklich gute adhäsive Bindung des Isoliermaterials auf dem Leiter sicherzustellen, ist eine Leitervorwärmung auf eine möglichst hohe Temperatur zweckmäßig, bei der eine HTS-Leiterschädigung bzgl. seiner supraleitenden Eigenschaften noch nicht auftritt. Beim Auftreffen einer heißen Thermoplastschmelze auf einen unzureichend vorgewärmten Leiter könnte es sonst zu einem unerwünschten sofortigen Einfrieren und Erstarren der Schmelze an der Kontaktfläche kommen; und damit wäre eine ausreichende Benetzung der Leiteroberfläche durch die Schmelze verhindert. Eine gute Benetzung ist aber Voraussetzung für die Ausbildung einer Adhäsionshaftung. Unterstützt wird diese Haftung durch den erwähnten Unterdruck im Reckkegel. Beim anschließenden Beschichtungsprozeß dienen die hinter dem Extruder 18 angebrachten Luftdüsen der Luftdusche 20, ein eventuell noch vorhandener Gegenstromkühler sowie das Gebläse 23j zur schnelleren Abkühlung und Verfestigung der aufgebrachten Umhüllungsschicht aus dem thermoplastischen Isoliermaterial. Weiterhin erfolgt eine on-line Prüfung auf Isolationsfehler durch einen zerstörungsfrei arbeitenden Porendetektor 22 und eine Überwachung der aufgebrachten Isolierschichtdicke z.B. mittels Laseranordnung 24. Aufgrund der schnellen Abkühlung und Verfestigung der Umhüllung kann ein Verkleben der Umhüllungen beim anschließenden Aufwickeln des Leiters 5' auf dem Aufwickler 26 verhindert werden. Zusätzlich kann dort als Zwischenlage eine Trennschicht z.B. aus Papier mit dem Leiter auf den als Vorratsspule dienenden Aufwickler 26 gewickelt werden, um dort ein Verkleben des Leiters während der Lagerung auszuschließen. Statt dessen kann die Umhüllung des Leiters mit einem hierfür geeigneten Puder, beispielsweise aus Talkum, versehen werden.It can also be influenced by the choice of a suitable tape withdrawal speed, the thickness d of the enclosure. Thus, for example, at a conductor throughput speed of about 5 m / min, an envelope of about 30 microns thickness can be generated. To improve adhesion of the envelope on the conductor surface of the conductor by means of the conductor heating 17 is inductively preheated, in particular at least approximately to a temperature level near the processing temperature (ie, possibly slightly above or below, eg +/- 50 ° C). This preheating of the conductor, which is only required for a short time and therefore does not damage the superconductor material, is advantageously carried out under a protective gas atmosphere in order to avoid oxide formations on the conductor surface, which can have a negative effect on the adhesion of the insulating coating layer on the conductor. A possible preheating of a conductor is indeed known prizipiell; however, the previously used preheating temperatures are significantly lower than the processing temperatures of the selected thermoplastics to be provided for HTS conductors. To have a really good adhesive bond To ensure the insulating material on the conductor, a conductor preheating to the highest possible temperature is appropriate in which a HTS conductor damage respect. Its superconducting properties does not occur. Otherwise, if a hot thermoplastic melt impinges on an insufficiently preheated conductor, unwanted immediate freezing and solidification of the melt at the contact surface may occur; and thus adequate wetting of the conductor surface by the melt would be prevented. However, good wetting is a prerequisite for the formation of an adhesion adhesion. This liability is supported by the mentioned negative pressure in the stretching cone. During the subsequent coating process, the air nozzles of the air shower 20 mounted behind the extruder 18, any countercurrent cooler still present and the fan 23j serve for faster cooling and solidification of the applied coating layer of the thermoplastic insulating material. Furthermore, an on-line test for insulation failure by a non-destructive working pore detector 22 and a monitoring of the applied insulating layer thickness, for example by means of laser assembly 24. Due to the rapid cooling and solidification of the envelope can gluing the shells during subsequent winding of the conductor 5 'on the winder 26th be prevented. In addition, there can be wound as an intermediate layer a release layer, for example made of paper with the conductor on the reel serving as a supply reel 26 to exclude there gluing of the conductor during storage. Instead, the sheath of the conductor can be provided with a suitable powder, for example talc.

Nachfolgend sind einige konkrete Ausführungsbeispiele im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgeführt:Below are some concrete embodiments in the context of the method according to the invention:

Beispiel 1: Aufbringen der Isolierschicht nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren mit Isolation aus PEEK Example 1: Application of the insulating layer according to the method described above with PEEK insulation

Verarbeitungstemperatur Schmelze:Processing temperature melt: 380 °C380 ° C Leitervorwärmung:conductor preheating: 375 °C375 ° C Isolation aus PEI VerarbeitungstemperaturIsolation from PEI processing temperature Schmelze: 370 °CMelt: 370 ° C Leitervorwärmung:conductor preheating: 370 °C370 ° C Isolation aus PPSU VerarbeitungstemperaturIsolation from PPSU processing temperature Schmelze: 375 °CMelt: 375 ° C Leitervorwärmung:conductor preheating: 370 °C370 ° C

Beispiel 2: Schichtdicke der aufgebrachten Isolation Example 2: Layer thickness of the applied insulation

PEEKPEEK PEEKPEEK PEIPEI PPSUPPSU EVAEVA Leiter 1Head 1 Leiter 2Head 2 25 µm25 μm 15 µm15 μm 30 µm30 μm 25 µm25 μm 50 µm50 μm

Beispiel 3: Haftung Isolation-Tränkharz (Stycast 1266) Example 3: Adhesion Isolation Impregnating Resin (Stycast 1266)

• PEEK/Stycast 1266: Trennung nur durch Abreißen der Isolation vom Leiter möglichPEEK / Stycast 1266: separation possible only by tearing off the insulation from the conductor
• PEI/Stycast 1266: Trennen nur durch Abreißen der Isolation vom Leiter möglichPEI / Stycast 1266: can only be disconnected by disconnecting the insulation from the conductor
• PPSU/Stycast 1266: Trennen nur durch Abreißen der Isolierschicht vom Leiter möglichPPSU / Stycast 1266: Separation possible only by tearing off the insulating layer from the conductor
• EVA/Stycast 1266: leichte Trennung ohne Zerstörung der LeiterisolationEVA / Stycast 1266: easy separation without destroying the conductor insulation

Beispiel 4: elektrische Eigenschaften bei 77 K in flüssigem Stickstoff Example 4: electrical properties at 77 K in liquid nitrogen DC-IsolationstestsDC insulation test

Teilentladung Leiter/LeiterPartial discharge conductor / conductor Durchschlag Leiter/LeiterBreakdown of conductor / conductor Teilentladung Leiter/KantePartial discharge conductor / edge Durchschlag Leiter/KantePunch conductor / edge PEEK (25 µm)PEEK (25 μm) 5500 V5500 V 15000 V15000 V 3000 V3000 V 4000 V4000 V PPSU (25 µm)PPSU (25 μm) 3200 V3200 V 12000 V12000 V 2500 V2500V 6300 V6300V EVA (50 µm)EVA (50 μm) 3000 V3000 V 8000 V8000 V 2700 V2700 V 3500 V3500 V

AC-IsolationstestsAC insulation tests

Durchschlag Leiter/LeiterBreakdown of conductor / conductor Durchschlag Leiter/KantePunch conductor / edge PEEK (25 µm)PEEK (25 μm) 4,7 kVeff4.7 kVeff 3,2 kVeff3.2 kVeff PPSU (25 µm)PPSU (25 μm) 5,0 kVeff5.0 kVeff 3,5 kVeff3.5 kVeff EVA (50 µm)EVA (50 μm) 4,2 kVeff4.2 kVeff 2,8 kVeff2.8 kVeff

Die vorstehend aufgeführten EVA-Werte stellen dabei im Rahmen des mit der eingangs genannten WO-Schrift vorgeschlagenen Verfahrens gewonnene Vergleichswerte dar.The above-mentioned EVA values represent comparative values obtained in the process proposed by the aforementioned WO document.

Claims (21)

1. Method for producing a sheathing made of an electrical insulating material of plastic on all sides around at least one superconductor in strip form with oxidic high-T_c superconductor material, wherein, for a continuous sheathing process at a process temperature having virtually no detrimental effect on the superconducting properties of the conductor,

   - the conductor emerges from a guide channel extending in a direction of advancement,

   - a melt tube of molten thermoplastic insulating material is extruded in the direction of advancement from a die, the outlet opening of which surrounds the conductor at a distance on all sides,

   - the melt tube is stretched and drawn onto the surface of the conductor as the conductor is advanced
   and

   - the melt tube applied in this way to the surface of the conductor is made to set by cooling,

   in which method at a process temperature between 200°C and 500°C, preferably between 220°C and 450°C, a thermoplastic material whose melting temperature is in this temperature range is used as the insulating material.
2. Method according to Claim 1, characterized in that a process temperature between 240°C and 420°C, preferably between 250°C and 380°C, is provided.
3. Method according to Claim 1 or 2, characterized in that a polyamide or a polyester is provided as the insulating material.
4. Method according to Claim 1 or 2, characterized in that a polyether imide (PEI) or a polyether sulphone (PES) or a polysulphone (PSU) or a polyphenylene sulphone (PPSU) or a polyether ether ketone (PEEK) is provided as the insulating material.
5. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the conductor (5) is heated up, at least approximately to the process temperature, before or during introduction into the guide channel (3).
6. Method according to Claim 5, characterized in that the guide channel (3) is heated up.
7. Method according to Claim 5 or 6, characterized in that the conductor (5) is heated up under an inert gas atmosphere.
8. Method according to one of the preceding claims, characterized in that, for bringing the melt tube (9) onto the surface of the conductor, the space inside the tube is evacuated.
9. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the melt tube (9) is stretched by a degree of stretching of between 5 and 15.
10. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the conductor (5') emerging from the die (2), provided with the sheathing (4), is subjected to a cooling treatment.
11. Method according to one of the preceding claims, characterized in that an outlet opening (8) of the die (2) shaped such that its spacing with respect to the conductor (5) is non-uniform, seen in the circumferential direction of the latter, is provided.
12. Method according to one of the preceding claims, characterized in that a sheathing (4) with an average thickness (d) of at most 100 µm, preferably at most 30 µm, is formed.
13. High-T_c superconductor in strip form sheathed according to the method according to one of the preceding claims, characterized by an aspect ratio of at least 3, preferably at least 10.
14. Sheathed high-T_c superconductor in strip form according to Claim 13, characterized by a strip thickness of at most 1.5 mm, preferably at most 0.5 mm.
15. Sheathed high-T_c superconductor in strip form according to Claim 13 or 14, characterized by a plurality of conductor cores of the high-T_c superconductor material, embedded in a normally conducting material.
16. High-T_c superconductor in strip form sheathed according to the method according to one of Claims 1 to 12, characterized by being formed as a superconducting multiple or composite conductor, which comprises at least one superconducting single conductor or conductor core.
17. Sheathed high-T_c superconductor in strip form according to Claim 16, characterized in that the at least one single conductor contains a plurality of conductor cores of the high-T_c superconductor material embedded in a normally conducting material.
18. Sheathed high-T_c superconductor in strip form according to one of Claims 13 to 17, characterized by a sheathing (4) of which the thickness (d) on at least two sides of the conductor amounts at most to 0.03 mm.
19. Sheathed high-T_c superconductor in strip form according to one of Claims 13 to 18, characterized by a sheathing (4) of which the thickness (d) on the narrow sides of the conductor is greater than on the wide sides.
20. Sheathed high-T_c superconductor in strip form according to one of Claims 13 to 19, characterized by superconductor material of a Bi cuprate, which is embedded in normally conducting material at least containing Ag.
21. Sheathed high-T_c superconductor in strip form according to one of Claims 13 to 20, characterized by a construction as a Roebel bar conductor, whose superconductors (5) in strip form are each sheathed individually.

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